大凌河流域水资源优化配置及模拟分析

2022-08-03杨文博

黑龙江水利科技 2022年6期

杨文博

(辽宁省石佛寺水库管理局有限责任公司，沈阳 110000)

1 大凌河流域概况

大凌河流域位于辽西地区，该河流有南、西、北3源，三源汇合后呈西南-东北流向，流经朝阳、北漂、义县、凌海等市县后注入渤海，大凌河流域水系图，见图1。

大凌河全长453km，流域面积23235km2，其中89%属于山地丘陵区，自凌海市石窗子以下进入平原区，流域内年降水量450-600mm，年径流量16.67亿m3，水资源补给以冰川融雪和降水为主。流域左侧河网水系密布，主要有凉水河子河、细河、老虎山河、第二牤牛河等支流。大凌河干流建有宫山咀、阎王鼻子和白石三座控制性水库，将大凌河依据各河段河流特征可以划分成河源段、上游段、中游段和下游段。

2 水资源模拟研究

水资源模拟是指通过一些理论假设和已知的水力公式，在实现水力系统循环的情况下构建一个简化的水力结构，然后对该结构利用数学工具或计算机技术进行模拟分析，从而解释和预测流域的具体现象及其未来发展状况，通过合理设置边界条件寻求可行解或最优解，以此实现水资源的优化配置[1-2]。文章充分考虑流域系统的复杂性特征，将河流、水库等简化成汇流点和水库节点，各节点之间利用描述河段和引水渠道的线段相连接，从而构成一个拓扑网络图，并依据该物理拓扑网络系统将流域系统基本规律抽象呈数学模型。最后，通过模拟运算分析能够获取河流径流和水库的变化过程以及各节点的物理指标，在时间和空间上模拟流域水资源信息特征。

图1 大凌河流域水系图

2.1 地表水模拟

结合相关研究资料，文章基于水量平衡方程构建流域地表水模型，即利用下式反映水量平衡关系：

(1)

W耗=W农+W工+W生活+W生态

(2)

式中：∑W入为全流域的入境地表水；∑W耗为地表耗水总量；∑△S为蓄水总量变化；W耗为子区地表用水量；W农为农业；W工为工业；W生活为生活；W生态为生态地表用水量；i为用水单元i；i为供水单元j。

2.2 地下水模拟

对于流域地下水流模型考虑利用三维多边形流差微分软件PGMS计算，在平面上模拟范围不涉及大凌河流域山区，而只是覆盖自然范围[3]。选择模型底界和顶面为半胶结下的底面以及潜水面，最大厚度区间400-700m，大部分处于100-300m范围。文章结合大凌河流域实际情况和三维多边形流差微分软件PGMS优化改进模型，主要流程为：

1)步骤1：地下水补排量-河流(渠系)模拟。对于计算方法的选择、地下水与大凌河补排类型及其关系的确定，可以依据河流弱透水层地下水位、底面高程及其河流水位自动判断完成。

2)步骤2：地下水入渗补给滞后性。模拟过程中，采用PGMS软件中的滞后补给权系数法反映降雨、渠系、水库和河流等入渗补给滞后性特征。

3)步骤3：水泉模拟。在泉未干枯的情况下，第一个边界条件取泉口的标高，泉流量可以直接运行模型确定。模拟输出的流量为正值时这不符合物理现象，即以泉口补给地下水，该条件下下应减去该泉口第一类边界条件或设置流量为零，按以上流程重新求解[4]。

4)步骤4：合理确定初始水头。以P-H0法(初始水头-参数迭代法)确定初始水头的分布。

2.3 水库调度

调度过程中要充分考虑水库的基本功能，当来水量无法满足或超过总需水量时水库予以供水或蓄水。根据非汛期和汛期实际情况进行蓄水，讯限水位<汛期水位时要实施弃水，兴利库容<非汛期水位时要实施弃水[5]。因此，利用数学模型反映以上调度过程，即：

Vt+1=Vt+Ot-Pt-Et

(3)

汛期满足条件：Z死≤Z≤Z限；非汛期满足条件：Z死≤Z≤Z兴、Vt+1、Vt为水库在t和t+1时段的蓄水量；Ot、It、Et为t时段水库的出库流量、入库流量和蒸发渗漏损失水量；Z死为水库死水位；Z限为汛期限制水位；Z兴兴利水位。

2.4 水资源配置

一般地，遵循按需供水的原则合理配置流域水资源[6]。文章考虑流域用水特点和需水优先等级将流域水资源划分成两个配置级别，即优先满足基本生态用水、生活和工业用水，然后满足农业和生态用水需求。缺水条件下，考虑不同用水单元的权重形式首先满足高权重水，即权重不同时构建高、低权重两种不同用水单元，而权重相同时应按照不同用水单元的缺水程度合理控制缺水，余水条件下按照水利拓扑图向下游适当泄水。

2.5 模拟分析

文章利用适用于任意多边形网格的有限差分法和PGMS软件计算已构建的概念模型，具体流程为：

2.5.1 模型耦合计算

大凌河流域的出山河水先经朝阳城区段渗漏转化成地下水，然后由地下水排泄进入凌海市石窗子平原，河水补给地下水从而形成含层统一的水资源系统和流域内河流。在地下地表耦合模型中以线源汇概化渠系、河道，以面状源汇概化地下水开采井、生活工业污水和农田灌溉汇水，地下水模拟时考虑泉因素作用。在地下地表耦合模型各计算时段的每个分区上，按面状源将工业与生活污水入渗量、田间灌溉回归水入渗量、渠道入渗量平均分配至各分区每个节点上。对于开采区的每一节点按面状汇分配地下水开采量，通过运行地下水模型按分区统计各时段的地下水、泉水向河水排泄量和平均地下水位等，地表水模型可以调用以上参数值，从而实现地下地表的系统耦合模拟。

2.5.2 运行检验

为进一步揭示地下水与地表水模拟转变机理，文章综合考虑历史数据和模型模拟数值，以地下水动态水位和下游水库水流作为检验标准，向用水模型输入历史水流序列，通过对地下水渗透参数的调整保证模型能够准确揭示地下水和地表水系统的运动变化特征。

以2010年大凌河流域实测数据验证地表水模拟模型，通过对比2010年各水库实际调度方式及其出库过程，水资源开发利用模拟等验证模型可行性，实测与模拟水库供水，见图2。

(a)宫山嘴水库

(b)阎王鼻子水库

模型模拟过程中既要分析中上游水库的供水过程，还要考虑上游分水、耗水以及用水等情况模拟下游水库的来水，并且水资源循环利用系统与下游水库来水直接相关，考虑到计算末端节点处会累积整个系统的模拟误差，所以选用白石水库来水反映模型模拟的最终精度和准确度，白石水库实测与模拟来水量，见图3。

然后比较验证2010年白石水库的旬来水模型计算值和实际月流量，结果显示白石水库2010年的实际入库和模拟入库水量分别为1.84亿m3、1.78亿m3，模型模拟误差不超过5%，因此实际月流量与模型模拟值保持较好一致性。

图3 白石水库实测与模拟来水量

2.5.3 地下水位检验

根据现状实际情况，系统比较各观测孔地下水位监测值和计算值，采用2011年收集的各观测孔水头数据比较实测值和模拟值，水头实测值与模拟值的绝对误差，见表1。

表1 水头实测值与模拟值的绝对误差

结果表明，拟合绝对误差△H≤1.0时发生频次占比达到57.19%，△H≤1.2时发生频次占比达到64.04%，因此该模型具有较好的拟合效果，可以保证模拟结果的精度和可靠度，水头实测值与模拟值的关系，模拟与实测水头关系图，见图4。

3 水资源优化配置

3.1 水资源分配现状

鉴于大凌河流域水资源多次自然转化的特征，现阶段尚未形成全面的水量分配方案，但水资源以多次开发利用为主。具体而言，大凌河上游主要是通过修建水库将地表水引致农业生产，该过程中渠道系统回水和渗漏会补给地下含水层；大凌河中游利用井泉与井灌混灌、泉水灌溉等多种方式，上游余水与渗流汇合，并考虑朝阳地下水开采对地表水和地下水实行混灌。将现状水资源开采程度利用模型进行模拟，各分区超采及缺水量模拟值，见表2。结果显示大凌河上游经济社会发展对水资源开发利用水平较高，多年平均条件下中游地表水达到枯竭，流域特别是下游地下水超采问题突出。在大凌河地下水过度开采和上、下游地表水充分利用的条件下，才能满足各区县基本生态、生活和工业用水，但局部地区尚存在一定程度的缺水，这表明大凌河上下游依然存在供水不均衡现象。

图4 模拟与实测水头关系图

表2 各分区超采及缺水量模拟值

由表2可知，遵循优先供水原则能够满足流域内基本生态、工业和生活用水需求。超采条件下农业生产仍然达到14.5%的缺水率，并且上游缺水率较高而下游较低；在空间分布上，流域内西部缺水率较高而东部缺水率较低。扣除区域超采量时农业生产达到35.0%缺水率，且与计入超采时的分布规律相反，即上游和西部的缺水率较低，而下游和东部较高。此外，扣除超采情况下白石-石窗子段的缺水率超过50%，总体处于较高水平，考虑可持续发展要求该区域是真实缺水率，这也体现了流域内东、西部以及上、下游的水资源分配不均衡。高缺水率情况下，为弥补水资源的短缺人们必然会在地表水流量越来越少时采取抽地下水的方式，若这种不公平现象长期无法得以纠正势必会导致生态的持续恶化[7-12]。

从生态学的层面上，除周边灌区外大凌河流域地下水深度已难以维持生态植被生长所需的水源，其水土保持能力大大下降。所以，为有效解决地下水的下降问题以及遏制生态环境持续恶化，必须通过水资源合理配置形成新的开发利用模式。流域中上游经济社会的发展与现有的水资源利用模式协调匹配度较低，下游流量不断减少引起生态环境持续恶化，进一步限制区域经济可持续发展，必须有效控制这一趋势的蔓延。